TA15鈦合金TIG焊熱影響區(qū)組織模擬及力學(xué)本構(gòu)關(guān)系研究.pdf

1、焊接接頭性能研究主要圍繞冶金行為和力學(xué)行為兩個(gè)方面開(kāi)展。冶金行為包含晶粒度和相組成，力學(xué)行為包含結(jié)構(gòu)應(yīng)力和組織應(yīng)力(相變應(yīng)變和相變塑性)。鈦合金焊接過(guò)程中，熱輸入較大時(shí)熱影響區(qū)晶粒極易粗化，在連續(xù)冷卻過(guò)程中，由于組織遺傳產(chǎn)生魏氏組織，在焊接應(yīng)力、氫、脆性組織三者耦合作用下，接頭容易形成冷裂紋。因此，以固態(tài)相變組織模擬為主線，開(kāi)展焊接過(guò)程微觀組織演變和宏觀應(yīng)力變形的數(shù)值模擬研究具有重要的理論意義。
　　本文首先采用元胞自動(dòng)機(jī)(CA)

2、方法對(duì)晶粒長(zhǎng)大、固態(tài)相變過(guò)程進(jìn)行模擬，揭示目前在焊接冶金理論中尚無(wú)共識(shí)的組織演變的物理規(guī)律。首先修正了晶粒長(zhǎng)大的CA模型，在以晶界能作為晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力的基礎(chǔ)上，考慮原子的熱振動(dòng)能和跳躍激活能，反映因焊接接頭溫度梯度導(dǎo)致的晶粒長(zhǎng)大前后熱振動(dòng)能的差異和晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。提出了粗網(wǎng)格劃分方法和相似原理方法，實(shí)現(xiàn)了焊接宏觀溫度到晶粒長(zhǎng)大計(jì)算節(jié)點(diǎn)的直接映射，解決了溫度場(chǎng)計(jì)算和晶粒計(jì)算空間尺度不協(xié)調(diào)的困難。研究了鈦合金焊接熱影響區(qū)晶粒在一定工藝

3、條件下急劇粗化的影響因素和特點(diǎn)。結(jié)果顯示，熱輸入越高，溫度越高，溫度梯度越小，晶粒長(zhǎng)大界面遷移越快而熱釘扎作用越弱，晶粒粗化越嚴(yán)重。
　　在母相晶粒長(zhǎng)大計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立了固態(tài)相變計(jì)算的CA計(jì)算模型。針對(duì)不同的固溶體類(lèi)型，比較了幾種常見(jiàn)的相變驅(qū)動(dòng)力模型并提出了其適用范圍；將等溫相變和連續(xù)冷卻相變熱力學(xué)，動(dòng)力學(xué)和晶體學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)模型化，通過(guò)界面遷移和溶質(zhì)擴(kuò)散的相互作用，計(jì)算了相狀態(tài)和溶質(zhì)濃度演變。為了消除 CA法捕捉網(wǎng)格對(duì)x

4、，y軸和45°方向的依賴(lài)性，采用類(lèi)似連續(xù)性界面的虛擬網(wǎng)格捕捉技術(shù)模擬任意角度的新相生長(zhǎng)，從而體現(xiàn)β-α相變的慣習(xí)關(guān)系。
　　通過(guò)一系列不同條件下的固態(tài)相變組織模擬，研究了相變分?jǐn)?shù)、組織形貌、溶質(zhì)場(chǎng)的影響因素。首先是熱力學(xué)因素，如溫度和冷卻速度，結(jié)果表明，保持晶粒度不變，改變溫度，相變動(dòng)力學(xué)結(jié)果與Johnson–Mehl–Avrami(JMA)方程計(jì)算結(jié)果吻合，析出相的寬度隨溫度升高而增大，與Mullins-Sekerka(M-S)

5、界面失穩(wěn)理論一致。其次是動(dòng)力學(xué)因素，如形核率、溶質(zhì)擴(kuò)散路徑、吉布斯湯姆森系數(shù)，結(jié)果表明，新相的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)與形核率和曲率效應(yīng)有關(guān)，溶質(zhì)擴(kuò)散為相變提供驅(qū)動(dòng)力，直接影響析出相形貌；再其次是晶體學(xué)因素，如擇優(yōu)生長(zhǎng)角度、各向異性模數(shù)和強(qiáng)度；最后是歷史相關(guān)性，即母相晶粒大小、初始溶質(zhì)場(chǎng)和初始相組成以及固液相溶質(zhì)分配系數(shù)對(duì)固溶體溶質(zhì)分配的影響。結(jié)果表明，母相晶粒度和未轉(zhuǎn)變之前的相組成通過(guò)改變形核和長(zhǎng)大的空間位置影響后續(xù)的固態(tài)相變，凝固過(guò)程的微觀溶質(zhì)偏析

6、，是導(dǎo)致熔池內(nèi)固態(tài)相變趨利進(jìn)行的主因。
　　而后，構(gòu)建了擴(kuò)散/界面/混合控制型相變的定量劃分模型，通過(guò)解析模型說(shuō)明了溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)、界面遷移系數(shù)和相變驅(qū)動(dòng)力對(duì)相變類(lèi)型的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)連續(xù)冷卻固態(tài)相變的CA模擬，揭示了連續(xù)冷卻相變從高溫界面控制型到低溫?cái)U(kuò)散控制型轉(zhuǎn)變，冷卻速度越大，臨界轉(zhuǎn)變溫度越高。
　　為了克服傳統(tǒng)的連續(xù)冷卻相變動(dòng)力學(xué) JMA方程表達(dá)和求解的困難，對(duì)該方程做了顯式化處理，以固態(tài)相變CA模擬獲得的冷卻速度-溫度

7、-相變分?jǐn)?shù)關(guān)系為目標(biāo)函數(shù)對(duì)該方程求解相變動(dòng)力學(xué)參數(shù)，協(xié)調(diào)了固態(tài)相變計(jì)算域和焊接接頭空間尺度不協(xié)調(diào)的問(wèn)題。通過(guò) JMA方程的有限元二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)焊接接頭不同位置和時(shí)間的相變分?jǐn)?shù)。建立了綜合熱應(yīng)變、具有應(yīng)變硬化特征的彈塑性應(yīng)變、擴(kuò)散型相變的相變應(yīng)變以及切變型相變的相變塑性應(yīng)變的材料力學(xué)本構(gòu)方程，并通過(guò)熱-力模擬試驗(yàn)，測(cè)量了鈦合金的相變應(yīng)變和相變塑性的大小，最終實(shí)現(xiàn)了基于 MARC有限元軟件的固態(tài)相變動(dòng)力學(xué)和力學(xué)行為的二次開(kāi)發(fā)。